В однотактных преобразователях, как было указано выше, энергия в нагрузку может передаваться либо при включенном силовом ключе, либо при выключенном силовом ключе. В первом случае преобразователи называются прямоходовыми, а во втором – обратноходовыми преобразователями напря-жения.
Однотактные преобразователи используются в тех случаях, когда вы-ходная мощность источника не превышает 300 Вт: источники питания прог-раммируемых контроллеров, мониторов, принтеров, устройств управления технологическим оборудованием.
На рисунке 4.7 изображена электрическая схема, графики токов и напряжений обратноходового преобразователя напряжения с внешним возбуждением.
А б
А) электрическая схема; б) графики токов и напряжений
Рисунок 4.7 – Обратноходовый преобразователь напряжения
Устройство управления подает на базу силового транзистора VT 1 прямоугольные импульсы, переводящие его в открытое состояние. Открытому состоянию силового транзистора VT 1 при этом соответствует закрытое состояние выпрямительного диода VD 1, вследствие чего в данном состоянии силовой схемы забираемая от первичного источника энергия накапливается в индуктивности намагничивания силового трансформатора Т 1. При закрытом транзисторе VT 1 происходит открывание диода VD 1, через который накопленная ранее энергия поступает в нагрузку и на конденсатор фильтра С 1.
Силовой ключ в однотактном преобразователе может представлять собой не только биполярный транзистор, как показано на рисунке 4.7, но и МОП (MOSFET) полевой транзистор с изолированным затвором. При напряжениях более 600 В и токах более 15 А в качестве силового ключа в настоящее время часто используют так называемые БТИЗ-транзисторы – биполярные транзис-торы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor).
|
|
Силовой трансформатор Т 1 в рассматриваемой схеме выполняет функцию накопителя электромагнитной энергии.
Графики токов и напряжений, иллюстрирующие работу обратноходового преобразователя, приведены на рисунке 4.7 б.
Пусть в произвольно выбранный момент 
произошло открывание мощного транзистора VT 1 и к началу первичной обмотки 
трансформатора Т 1 (показано точкой на рисунке 4.7 а) оказался приложенным положительный потенциал от первичного источника 
, а к концу обмотки - отрицательный. При этом напряжение на вторичной обмотке, суммируясь с напряжением на конденсаторе фильтра С 1, закрывает ранее открытый выпрямительный диод VD 1, и нагрузка от силового трансформатора отключается.
Коллекторный ток силового транзистора нарастает по линейному закону
= 
+ 
, (4.8)
где L – индуктивность намагничивания трансформатора, приведенная к его первичной обмотке; – ток в коллекторе транзистора в момент открывания транзистора VT 1.
К моменту закрывания транзистора управляющим сигналом устройства управления (
на рисунке 4.7 а) ток в его коллекторе и в индуктивности намагничивания силового трансформатора достигает своего максимального значения
= 
+ 
, (4.9)
где 
длительность открытого состояния транзистора VT 1.
В течение рассматриваемого интервала напряжение на нагрузке, отключенной от первичного источника закрытым диодом VD 1, уменьшается по закону
= 
, (4.10)
где 
– напряжение на нагрузке в момент открывания транзистора VT 1; 
– сопротивление нагрузки; С 1 – емкость конденсатора фильтра.
|
|
К концу рассматриваемого интервала напряжение на нагрузке достигает значения
= 
. (4.11)
После того как в момент закрывается транзистор, полярности напряжений на обмотках силового трансформатора изменяются на противоположные исходным, выпрямительный диод VD 1 открывается, и в нагрузку начинает поступать энергия, накопленная в силовом трансформаторе в течение предыдущего интервала. Ток в индуктивности намагничивания трансформатора Т 1 и ток через диод VD 1 уменьшаются по мере расходования в нагрузке накопленной энергии.
Если принять, что пульсации напряжения на нагрузке невелики по сравнению с его номинальным значением, то уменьшение тока 
через диод и через индуктивность намагничивания трансформатора Т 1, приведенную к его вторичной обмотке, будет иметь линейный характер:
= 
= 
( / 
) – (
/ 
, (4.12)
где и – соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток силового трансформатора; L 2 – индуктивность намагничивания трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке.
За время t = L 2( / )/ 
ток в диоде VD 1 и индуктивности намагничивания трансформатора достигает своего нулевого значения.
При работе обратноходового преобразователя возможны два различных режима – режим непрерывного тока в индуктивности намагничивания сило-вого трансформатора и режим прерывистого тока.
Временные диаграммы, иллюстрирующие работу в режиме преры-вистого тока, показаны на рисунке 4.7 б штриховыми линиями.
Граница режимов непрерывного и прерывистого тока определяется неравенством
|
|
L 1 ≥ 
/ 
. (4.13)
Режим непрерывного тока обеспечивает параметрическую стабилизацию выходного напряжения обратноходового преобразователя, а также более жесткую внешнюю характеристику преобразователя. Использование обратно-ходового преобразователя в режиме прерывистого тока дает возможность получать высокие выходные напряжения (сотни – тысячи вольт) при сравни-тельно малых коэффициентах трансформации силового трансформатора.
К положительным свойствам обратноходового преобразователя следует отнести возможность регулирования напряжения, прикладываемого к мощному транзистору в его закрытом состоянии, и, как следствие этого, возможность более полного использования транзистора и диода по напряжению. Так, для транзистора T 1 напряжение между коллектором и эмиттером в закрытом состоянии определяется для режима непрерывного тока выражением 
= 
(1 + 
/ 
) и может регулироваться изменением соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний транзистора.
Если не учитывать потери в элементах преобразователя, то среднее значение выходного напряжения можно определить по формуле
≈ 
γ/(1- γ), (4.14)
где n = / –коэффициент трансформации трансформатора Т 1; γ – коэф-фициент заполнения импульсов устройства управления.
Недостатком схемы обратноходового преобразователя является значительное перенапряжение на коллекторе силового транзистора VT 1 вследствие наличия индуктивности рассеяния трансформатора Т 1. Кроме этого, магнитопровод трансформатора работает с подмагничиванием постоянным током.
На рисунке 4.8 изображена электрическая схема, графики токов и напряжений прямоходового преобразователя напряжения с внешним возбуждением.
А б